[论文解读] Single photon wavefront-splitting interference: An illustration of the light quantum in action

V. Jacques, E Wu+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2020

Nonlinear Optical Materials Studies参考文献 22被引用 46

一句话总结

通过在金刚石纳米晶体中使用时钟触发的 NV 中心、以及 Fresnel 双棱镜波前分割，展示真正的单光子干涉；通过反相关性确认粒子性行为，并显示单光子条纹的实时积累。

ABSTRACT

We present a new realization of the textbook experiment consisting in single-photon interference based on the pulsed, optically excited photoluminescence of a single colour centre in a diamond nanocrystal. Interferences are created by wavefront-splitting with a Fresnel's biprism and observed by registering the "single-photon clicks" with an intensified CCD camera. This imaging detector provides also a real-time movie of the build-up of the single-photon fringes. We perform a second experiment with two detectors sensitive to photons that follow either one or the other interference path. Evidence for single photon behaviour is then obtained from the absence of time coincidence between detections in these two paths.

研究动机与目标

• 在接近杨氏双缭镜范式的波前分裂装置中展示单光子干涉。
• 通过路径信息和反相关性测量提供粒子性行为的证据。
• 使用增强型 CCD 相机实时显示干涉条纹的积累。
• 将真实单光子脉冲与衰减的经典脉冲进行比较，以突出非经典光行为。

提出的方法

• 在脉冲 532 nm 激发下，来自金刚石纳米晶体中单个 NV 中心的时钟触发单光子发射。
• 实现一个 Fresnel 双棱镜来分割波前，并在叠加区域使用增强型 CCD 相机观察干涉，以实现实时条纹积累。
• 使用雪崩检波器记录带时间戳的探测事件，以计算 anticorrelation 参数 alpha，并区分单光子与经典光的行为。
• 通过分析两个输出通道之间的互相关性来执行两路 which-path 实验，以显示粒子性行为。
• 用基于 Fresnel 衍射的波束传播模型拟合观测到的干涉图样，该模型考虑 NV 中心发射的时间相干性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当其波前被 Fresnel 双棱镜分割时，单光子源能否产生真正的干涉？
• RQ2 实验是否通过反相关性和输出路径之间的无同时发生来揭示粒子性行为？
• RQ3 在重叠区域中，单光子干涉条纹的积累动态和可见度是多少？
• RQ4 将真实单光子脉冲与衰减的相干脉冲进行比较如何揭示非经典光行为？
• RQ5 是否存在能够重现所观测结果的经典半经典模型，以及测得的 alpha 值与此类模型相比有何差异？

主要发现

• 由氮空位（NV）中心发出的单光子脉冲显示出强反相关性（alpha = 0.13 ± 0.01），违反半经典界限 alpha ≥ 1。
• 微弱激光脉冲（经典/泊松统计）给出 alpha = 1.00 ± 0.06，与泊松统计以及缺乏真正的单光子行为一致。
• 在增强型 CCD 相机上实时积累的干涉条纹，中心条纹可见度约为 94%，在单光子情形下显示出波动性行为。
• 两条干涉仪光路之间的时间互相关测量显示不存在同时探测，支持单光子粒子性行为。
• 通过类似 g^(2) 的延迟直方图的二阶干涉分析证实了对零延迟互相关的强抑制，与单光子预期一致。